Будущие технологии памяти: FeRAM изнутри

Физика и структура FeRAM

На данный момент имеется огромное количество всевозможнейших комбинаций основных элементов, из которых строится ячейка памяти - ферромагнитного сегнетоэлектрического транзистора и такого же конденсатора. Но при рассмотрении этих комбинаций можно выявить 4 основных типа, которые являются базовыми, все остальные типы ячеек FeRAM являются лишь их комбинациями. Это однотранзисторная ячейка 1Т FeRAM, одноконденсаторная ячейка 1С FeRAM, называемая еще SFRAM (statically read, non-volatile, ferroelectric random access memory - полный аналог SRAM), наиболее распространенная транзисторно-конденсаторная ячейка 1Т-1С FeRAM и наиболее стабильная из всех вышеперечисленных двойная ячейка 2T-2C FeRAM. А теперь подробнее.

1Т FeRAM

Эта структура ячейки использовалась в одной из первых работающих моделей FeRAM, но показатели ее были не на высоте - ячейка слишком быстро теряла заряд и переходила в непредсказуемое состояние, то есть не являлась энергонезависимой, поэтому работы в области 1T были свернуты. Но сама идея оказалась живуча - ведь имея в качестве ячейки всего один транзистор можно добиться минимального ее размера и, соответственно, гигантской информационной емкости приходящейся на единицу поверхности чипа. Именно поэтому в 2002 году работы над созданием 1Т FeRAM были продолжены двумя крупнейшими японскими институтами - NERI (Nanoelectronics Research Institute) и AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology). Используя ферромагнитные сегнетоэлектрики новейшего поколения - композиционный оксид SBT (SrBi₂Ta₂O₉) с добавлением гафния Hf и несколько модифицировав структуру полевого сегнетоэлектрического транзистора (ferroelectric gate field-effect transistor) им удалось получить 1Т структуру со значительно более долгим временем хранения заряда, на порядок больше предыдущих разработок.

Сама схема 1Т FeRAM выглядит следующим образом:

Слева приведена схема традиционной 1T-1C ячейки, справа только 1Т. Даже из принципиальной схемы явствует, что ячейка 1Т меньше и проще в исполнении по сравнению с 1T-1C, что должно положительно сказаться на себестоимости и на информационной емкости памяти на ее основе.

Сам транзистор выглядит так:

Запись в ячейку 1T FeRAM осуществляется при подаче положительного или отрицательного заряда на электроды схемы. Когда на электрод стока (drain electrode) подается напряжение +6V в канале проводника возникает пульсирующий адекватный ток соответствующий значению "1". И наоборот - после подачи отрицательного напряжения - пульсирующий ток крайне незначителен - ячейка переходит в положение "0".

На графике это выглядит следующим образом:

Как следует из этого графика разница между состоянием "0" и состоянием "1" достаточна для однозначного определения значения ячейки, а падение тока утечки незначительно - за 10⁶ секунд (что соответствует 11,6 суткам) падение не превысило 2%.

Подводя итог, можно сказать, что данная технология вполне жизнеспособна - чрезвычайно малый размер ячеек, стабильность заряда и высокая скорость доступа к ячейкам (что может быть проще транзистора?) - вот ключевые позиции 1T FeRAM. Основной проблемой является надежность хранения заряда - память на базе 1T FeRAM теряет данные по прошествии 50-60 дней. Впрочем, для рынка мобильных компьютеров это не актуально - вряд ли у кого из владельцев КПК его любимая игрушка будет выключена более двух месяцев, а при включении заряд на транзисторах обновляется. Следовательно, создателям 1T осталось повысить надежность и, главное, реализовать все это на практике - а это похоже будет главной проблемой, ни один из крупных производителей FeRAM пока не заинтересовался этой новой реинкарнацией старой идеи, предпочитая заниматься более традиционными 1T-1C и 2Т-2C. На текущий момент не было ни одной новости о лицензировании технологии 1Т каким-нибудь крупным производителем. По-видимому, стереотипы живучи - один раз забраковав 1Т структуру, гиганты компьютерной индустрии накрепко про нее забыли. Хочется верить, что этой, как ее назвали разработчики, ultra-Gbit FeRAM, повезет с издателями, и увидим мы на прилавках дешевые емкие энергонезависимые носители информации.

1С FеRAM (SFRAM)

Этот тип памяти состоит из 1С ячеек, то есть ячеек содержащих один ферромагнитный сегнетоэлектрический конденсатор. Другое коммерческое название 1С FеRAM звучит как SFRAM - statically read, non-volatile, ferroelectric random access memory (статически читаемая энергонезависимая сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом к ячейкам).

Этот тип FeRAM наиболее близок по структуре к древней памяти на ферромагнитных сердечниках, в чем легко убедиться, взглянув на принципиальную схему:

Как видно из этой схемы принцип действия памяти на ферромагнитных сердечниках (a) и FeRAM схож - для того чтобы записать "0" или "1" надо подать соответственно положительное или отрицательное напряжение одновременно и по линии X и по линии Y, после чего заряд в ячейке хранится продолжительное время и после отключения питания.

Строение современной 1С ячейки можно представить в таком виде:

SFRAM прочат в преемницы нынешней SRAM, предполагается, что в ближайшие несколько лет, SRAM будет вытеснена с рынка полностью.

Ключевыми позициями технологии 1С FeRAM являются: очень малый размер ячеек, соответственно, более высокая информационная емкость на единицу поверхности микросхемы по сравнению с SRAM, великолепные показатели в области устойчивости к усталости материала (fatigue) и наложению "отпечатка" заряда (imprint), лучшая энергонезависимость по сравнению с SRAM, крайне низкое энергопотребление в режиме чтения, высокая скорость, низкая цена.

Данная технология бурно развивается, так как SFRAM 100% совместима по интерфейсу с SRAM, то рынок для нее уже есть - и не малый - замещать устаревающую и более дорогую SRAM. Технологии SFRAM уже отработаны и первые чипы достаточно давно ушли с конвейера, осталось преодолеть консервативность производителей и наладить действительно массовый выпуск этой памяти. Впрочем, поиски в этой области продолжаются - идет перебор легирующих компонентов для сегнетоэлектриков, подбор диэлектриков для изоляции обкладок конденсатора - все с целью и без того улучшить уже имеющееся, увеличить скорость обмена данными, повысить надежность хранения информации, удешевить производство - прогресс неумолим. Лучшее - враг хорошего.

1Т-1С FeRAM

Благодаря совместным разработкам и усилиям компаний Toshiba и Infineon Technologies AG данный тип FeRAM является наиболее распространенным на текущий момент. Этот тип FeRAM очень близок по структуре к обычной DRAM, в чем легко убедиться, взглянув на принципиальные схемы обоих типов памяти.

Широкое распространение данного типа памяти объясняется как раз этой схожестью с DRAM, то есть инженерам-разработчикам не приходится менять логику своих разработок, им всего лишь приходится учитывать такие новые факторы в схеме как полевой сегнетоэлектрический транзистор (ferroelectric gate field-effect transistor), вместо обычного полевого транзистора и конденсатор из этого же материала. По сравнению с 1Т структурой 1Т-1С структура является гораздо более стабильной и дольше может хранить записанную информацию, но, правда, ячейка выходит заметно крупнее.

Основное отличие от DRAM помимо сегнетоэлектрических транзистора и конденсатора состоит в способе подключения ячейки к общей структуре. В DRAM отрицательная обкладка конденсатора подключена к корпусу чипа, а в случае FeRAM подключение происходит к дополнительному проводнику - передающей линии (driveline). Казалось бы, отличие незначительное, но оно полностью меняет сам принцип записи данных в ячейку.

Для того чтобы записать бинарный "0" в ячейку DRAM на линию данных (bitline) подается положительное напряжение, а на линию управления (wordline) подается сигнал, открывающий полевой транзистор, после чего конденсатор заряжается и ячейка принимает состояние "1". Запись бинарного нуля происходит еще проще - линия данных (bitline) заземляется, по линии управления подается сигнал, открывающий транзистор - конденсатор разряжается, ячейка в состоянии "0".

В случае FeRAM, для записи бинарной единицы на передающую линию подается положительное напряжение, линия данных (bitline) заземляется, по линии управления подается сигнал, открывающий транзистор - происходит отрицательная поляризация конденсатора - ячейка принимает значение "1". Запись нуля - наоборот - на линию данных подается положительное напряжение, передающая линия заземляется, по линии управления подается сигнал, открывающий транзистор - происходит положительная поляризация конденсатора - ячейка принимает значение "1". В обоих случаях используется положительное напряжение, только подаваемое с разных направлений. Основным элементом в цепи, отвечающим за запись данных является конденсатор. Запись происходит после открытия транзистора. Следовательно, имеется некая временная константа, включающая время срабатывания транзистора плюс время поляризации конденсатора. Именно эта константа будет ответственна за скорость работы памяти FeRAM. Естественно, что для каждого сегнетоэлектрика эта константа будет разной, следовательно, главной задачей исследователей на ближайшее время будет поиск материалов и легирующих добавок, для которых эта временная константа будет наименьшей.

Дизайн 1Т-1С ячейки определяется емкостью линии данных (bitline) и поляризационными параметрами сегнетоэлектрического конденсатора. Емкость линии данных (bitline) определяется количеством висящих на ней ячеек плюс паразитической емкостью материала самой линии.

По сравнению с вышерассмотренными 1Т и 1С структурами, размер ячейки 1Т-1С очень велик. Казалось бы - у DRAM точно такой же, почему же там никто не жалуется на размер? Все дело в процессе производства - помимо обычной фотолитографии в случае FeRAM при нанесении сегнетоэлектрического слоя приходится применять спекание - получение керамики из смеси металлооксидов, а это существенно затрудняет производство ячеек такого размера, так как применяются довольно высокие температуры порядка 350-5000С. Именно эти факторы послужили причиной столь долгого старта этого формата памяти. Все остальные показатели у него вполне удовлетворяют рыночным требованиям - это и сравнительно низкое время доступа, мгновенная перезапись, низкое энергопотребление при записи/чтении, огромное количество циклов записи/перезаписи, длительное время хранения данных при отсутствии источника питания. Главное - у этого формата есть огромный потенциал, ему есть, куда расти. Компании Toshiba и Infineon Technologies AG - главные производители 1Т-1С FeRAM на данный момент - прилагают все усилия, чтобы выявить незадействованные пока возможности этой памяти и получить, в конце концов, действительно память будущего, способную вытеснить устаревающих конкурентов с рынка. Буквально на днях Toshiba и Infineon объявили о создании чипа 1Т-1С FeRAM с самой большой на сегодняшний день плотностью записи информации емкостью 32 Мбит. Этот чип произведен по 0,2-мкм технологии, имеет общую площадь равную 96 кв. мм, из которых примерно 34% занято под логику контроллера. Как видно, все еще впереди, можно найти новые сегнетоэлектрики, применить более совершенный технологический процесс и получить компактную энергонезависимую память огромных размеров и за небольшие деньги. Ждем-с...

2T-2C FeRAM

У данного типа памяти элементарная ячейка представляет собой сдвоенные ячейки 1T-1C типа. Эти ячейки можно комбинировать по-разному, поэтому общей формуле 2T-2C могут соответствовать несколько вариантов. Принципиальные схемы некоторых распространенных вариантов 2T-2C FeRAM выглядят так:

Этот вариант 2Т-2С ячейки подключен к двум управляющим линиям объединенных с передающими линиями (ML - merged Wordline/plateline) и к двум линиям данных BL (bitline) и называется по способу подключения WL/PL архитектурой. Эта схема представляет собой просто две 1С-1Т ячейки скомпонованные в одну большую. Ничем особым от 1С-1Т WL/PL не отличается - просто это один из способов повысить интеграцию компонентов в чипе. Эта схема не получила пока широкого распространения и является экспериментальной.
Другая схема, реализованная на практике, выглядит несколько иначе:

Здесь ячейка 2T/21C подключена к управляющей линии (wordline) и передающей линии (plateline), но линии данных разделена на две раздельные линии (bitline и complement bitline), соответственно запись/чтение на сегнетоэлектрические конденсаторы производится раздельно. Данные, записываемые в эти два конденсатора, дублируются, что приводит к увеличению надежности хранения данных. При этом напряжение между шинами данных bitline и complement bitline выражается следующей формулой:

где V₁ и V₀ напряжения на линиях данных, C₀ и C₁ - емкости конденсаторов ячейки, C_BL - паразитная емкость шины данных, а V_DD - положительное напряжение питания. Помимо конденсаторов присутствует усилитель, необходимый для считывания данных из ячейки 2T/2C. Усилитель и две структуры 1T/1C сильно удорожают эту память, но главный недостаток - это колоссальный размер ячейки 2T/2C по сравнению даже с 1T/1C, не говоря о таких малышах как 1Т и 1С структуры. Не удивительно что даже крупнейшим фирмам-производителям занимающимся разработкой и производством данного типа памяти таким как NEC, Matsushita и Fujitsu не удалось пока получить чипы с плотностью записи информации свыше 1 мегабита (в то время как для 1С-1Т структуры созданы уже промышленно выпускаемые чипы с емкостью свыше 32 мегабит).

Казалось бы - зачем такая дорогостоящая и громадная структура вообще нужна? Ведь есть и более дешевые и компактные решения. Но есть у 2T/2C структуры достоинство, которое напрочь перечеркивает все недостатки - повышенная, даже можно сказать избыточная стабильность хранения данных и полная невосприимчивость к внешнему воздействию. В самом деле, память 2T/2C FeRAM устойчива к воздействию магнитных и электромагнитных полей, не теряет информацию под действием ионизирующих излучений, ударопрочна и способна хранить данные очень большой период времени. Все вышеперечисленные свойства, в принципе обычному компьютерному пользователю совершенно не нужны, но они жизненно необходимы для функционирования устройств в местах, где все эти вредоносные факторы есть - в первую очередь в голову приходит космос. Именно в космосе есть и магнитные поля и радиация и перегрузки, да и с питанием там не всегда бывает все в порядке (вспомните станцию ФОБОС-1, которая из-за неправильной ориентации в пространстве относительно солнца получала слишком мало энергии, истощила аккумуляторы, отключилась и потерялась в космосе). Кроме того, производители оборудования для работы в космических условиях люди не бедные, в отличие от трясущихся над каждым центом рядовых пользователей, поэтому сильно торговаться не будут. Когда речь зайдет о безопасности хранения программного обеспечения спутника стоимостью сотни миллионов долларов, то трястись над тысячей, другой долларов за микросхему 2T-2C FeRAM никто не будет. Кроме космических корпораций есть еще вулканологи, военные, исследовательские лаборатории, работающие с жестким излучением и магнитными полями и некоторые другие категории потребителей этой надежной памяти. Конечно, добиться большого объема производства не удастся, рынок слишком узкий, но зато можно диктовать цены в любых разумных пределах. Либо мало и дорого для избранных (путь NEC, Matsushita и Fujitsu), либо много и дешево для всех (Toshiba и Infineon).

Помимо этих основных структур существует огромное количество их комбинаций. Практически любой мало-мальски уважающий себя университет занимается сейчас перебором вариантов компоновки ячеек и изучением свойств этих гибридов. Защищаются дипломы на данную тему, получаются все новые и новые патенты. Рассмотреть хотя бы наиболее перспективные комбинации в рамках одной статьи - дело нереальное. Тут материала как минимум еще на одну статью, ну а пока стоит перейти к дальнейшим перспективам FeRAM.